農(nóng)田灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
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1系統(tǒng)工作原理及設(shè)計
1.1系統(tǒng)工作原理
4G作為第四代移動通信技術(shù)，較好地改進(jìn)了3G技術(shù)，使信息傳輸更加快速，能夠傳輸清晰的圖像和視頻[5]。傳統(tǒng)的農(nóng)田灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)除了在現(xiàn)場安裝攝像頭、傳感器之外，還需要進(jìn)行復(fù)雜的布線，系統(tǒng)開發(fā)成本較高[6]。本系統(tǒng)則引入了4G技術(shù)，分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端、客戶端三個端點，由4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)信息通過4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)快速傳輸。
基于4G網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端、客戶端組成，其中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端主要通過攝像頭、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行水位信息的采集，然后經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端。在服務(wù)器端有三個模塊，分別是：管理模塊、儲存模塊、通訊模塊。管理模塊負(fù)責(zé)接收和調(diào)度信息，儲存模塊負(fù)責(zé)儲存信息，通訊模塊負(fù)責(zé)將有效信息經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸給客戶端。在客戶端也有三個模塊，分別是：數(shù)據(jù)解碼模塊、信息分析模塊、遠(yuǎn)程視頻查看模塊。數(shù)據(jù)解碼模塊負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，信息分析模塊負(fù)責(zé)分析現(xiàn)場信息，遠(yuǎn)程視頻查看模塊負(fù)責(zé)連接現(xiàn)場的攝像頭，實時查看現(xiàn)場水位情況。
2系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端的實現(xiàn)
本系統(tǒng)所要獲取的主要數(shù)據(jù)是農(nóng)田現(xiàn)場的灌溉水位，在農(nóng)田四周安裝了2個攝像頭和4個傳感器，攝像頭安裝在斜對角的兩端，傳感器則安裝在低水位、中水位、偏高水位、高水位的四個點上。攝像頭提供現(xiàn)場的實時視頻畫面，傳感器采集水位數(shù)據(jù)，通過CAN總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，每5分鐘匯總一次，利用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端。數(shù)據(jù)采集模塊還通過4G網(wǎng)絡(luò)與客戶端相連，當(dāng)用戶需要查看現(xiàn)場視頻情況時，可利用遠(yuǎn)程視頻查看模塊驗證實時水位。數(shù)據(jù)采集模塊中有XML編碼器和MP4編碼器，首先由XML編碼器將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成XML格式，其次由MP4編碼器將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成MP4格式，方便這兩種數(shù)據(jù)在4G網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。
2.2服務(wù)器端的實現(xiàn)
本系統(tǒng)的控制中心在服務(wù)器端，由管理模塊、儲存模塊和通訊模塊組成。在這里可以完成數(shù)據(jù)信息的接收、調(diào)度、儲存，并通過通訊模塊與客戶端連接。在管理模塊中有XML解碼器和MP4解碼器，負(fù)責(zé)對接收到的XML格式的水位數(shù)據(jù)和MP4格式的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。首先解碼水位數(shù)據(jù)，若水位信息為低水位或中水位，則繼續(xù)解碼視頻數(shù)據(jù)，然后將水位數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻Υ婺K；若水位信息為偏高水位或高水位，則無需解碼視頻數(shù)據(jù)，將解碼前的水位數(shù)據(jù)和未解碼的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ嵞K。其次由通訊模塊通過4G網(wǎng)絡(luò)與客戶端連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳耍嵝延脩羲磺闆r即將超標(biāo)，需要派人到現(xiàn)場操作。
2.3客戶端的實現(xiàn)
客戶端由數(shù)據(jù)解碼模塊、信息分析模塊、遠(yuǎn)程視頻查看模塊組成。在數(shù)據(jù)解碼模塊中裝有XML解碼器和MP4解碼器，當(dāng)接收到服務(wù)器端通訊模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)之后，首先由數(shù)據(jù)解碼模塊對水位數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后由信息分析模塊對解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步確定當(dāng)前的水位情況。用戶還可以通過遠(yuǎn)程視頻查看模塊，實時查看農(nóng)田灌溉現(xiàn)場的水位情況，最終確定水位，并及時派人前往現(xiàn)場處理。客戶端分別由安卓APP源碼和蘋果APP源碼編寫，可安裝在安卓手機(jī)和蘋果手機(jī)上。
3系統(tǒng)測試
本系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端使用ARM微處理器平臺進(jìn)行開發(fā)；服務(wù)器端使用JAVA語言進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫為MySql數(shù)據(jù)庫；安卓客戶端使用JAVAEE語言進(jìn)行開發(fā)，蘋果客戶端使用ObjC和C語言進(jìn)行開發(fā)。在系統(tǒng)開發(fā)的過程中分別測試了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端、安卓客戶端、蘋果客戶端的相關(guān)功能和性能，測試結(jié)果如表1所示。并進(jìn)一步測試系統(tǒng)載荷能力，并發(fā)連接數(shù)設(shè)置為30，即30個客戶端同時登陸系統(tǒng)對服務(wù)器端造成的負(fù)荷壓力。從系統(tǒng)的相關(guān)功能和性能測試結(jié)果可以看出，在用戶登陸方面，管理員用戶在服務(wù)器端成功登陸，普通用戶在安卓客戶端和蘋果客戶端成功登陸，說明系統(tǒng)的登陸功能良好。在數(shù)據(jù)傳輸方面，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到8M/s，服務(wù)器端和客戶端的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到10M/s，說明4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度較快，基本可以滿足客戶需求。在數(shù)據(jù)編解碼方面，各測試點都能成功編解碼，說明系統(tǒng)編解碼功能良好。在數(shù)據(jù)儲存方面，服務(wù)器端能夠成功儲存數(shù)據(jù)。在視頻清晰度方面，各測試點的視頻數(shù)據(jù)都保持在高清晰。從系統(tǒng)載荷能力測試結(jié)果可看出，當(dāng)30人同時在線時，服務(wù)器端的負(fù)荷壓力在2.5%以下，說明系統(tǒng)載荷能力良好，而在實際中，同時在線人數(shù)通常只有3~5人。
4結(jié)論與展望
農(nóng)田灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)信息化的重要組成部分之一，尤其對大畝地進(jìn)行灌溉的時候，往往耗時較長，派專人值守會耗費一定人力，還要考慮到天氣惡劣情況。本文開發(fā)了一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢，成功實現(xiàn)了農(nóng)田灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。本系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端、客戶端組成，根據(jù)測試結(jié)果，本系統(tǒng)的相關(guān)功能和性能良好，有較大的載荷能力。本系統(tǒng)既能精準(zhǔn)監(jiān)控農(nóng)田灌溉的水位，還能為用戶節(jié)省一定的時間和人力成本，具備較高的推廣價值。如今，在5G技術(shù)的快速發(fā)展下，浙江、廣東、上海等地已進(jìn)入5G試點階段，事實證明5G技術(shù)擁有更大的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)傳輸速度遠(yuǎn)超4G。展望未來，農(nóng)業(yè)灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控與5G技術(shù)的結(jié)合，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)水平，這是今后值得研究的一個方向。
作者：田添 單位：河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院